PSoC在光纖陀螺脈沖輸出采集中的應(yīng)用

陀螺儀是一種測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)的裝置。以陀螺儀為核心的慣性測(cè)量系統(tǒng)在飛行器控制與制導(dǎo)，空中、海上和陸上導(dǎo)航／定位中都起著至關(guān)重要的作用。作為新型陀螺，光纖陀螺得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。光纖陀螺(FOG)是利用光纖構(gòu)成的一種環(huán)狀干涉儀，屬純光學(xué)、靜止型陀螺，通過(guò)薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度的檢測(cè)。由于光纖陀螺突出的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用背景，光纖陀螺將在慣性元件領(lǐng)域占有非常重要的位置。光纖陀螺脈沖輸出的采集，對(duì)于檢驗(yàn)陀螺性能、提高陀螺精度、增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性，具有重要作用。

1 PSoC簡(jiǎn)介
2003年Cypress半導(dǎo)體公司推出了可編程片上系統(tǒng)(Programmable System on Chip，PsoC)，它不但集8位微控制器、可編程數(shù)字陣列和可編程模擬陣列為一體，而且實(shí)現(xiàn)了“在系統(tǒng)可編程”，既滿足了一般電子系統(tǒng)的資源要求，又順應(yīng)了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向，是第一種真正具有混合信號(hào)處理能力的片上系統(tǒng)(SoC)。
PSoC是一種可編程的半導(dǎo)體器件，與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)、在系統(tǒng)可編程模擬器件ispPAC(InSys-tem Programmable Arialog Circuit)和單片機(jī)相比，具有如下特點(diǎn)：
1)PSoC綜合FPGA和ispPAC的功能為一體，既具有FPGA的可編程數(shù)字陣列，又具有ispPAC的可編程模擬陣列，即具有處理數(shù)字和模擬兩種信號(hào)的能力。此外，PSoC所具有的A／D、D／A用戶模塊解決了兩個(gè)陣列的接口問(wèn)題。
2)PSoC有1個(gè)8位的微處理器，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。盡管FPGA可以通過(guò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟核微控制器或微處理器，但是增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。
3)與ispPAC相同，PSoC不需要編程器，就能夠在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中編輯，用以修改和重構(gòu)電子系統(tǒng)，使用靈活方便。
4)雖然也可將PSoC視為1個(gè)8位的微控制器，即8位單片機(jī)。但是與一般單片機(jī)不同的是，它幾乎不需要外部電路，一片PSoC就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子系統(tǒng)。而且PSoC具有比一般單片機(jī)更多的內(nèi)部資源，如低電壓監(jiān)測(cè)電路(Low Voltage Detect，LVD)、開關(guān)式升壓泵(Switch Mode Pum-p，SMP)、內(nèi)部精密參考電壓(Intemal Voltage Reference)等。另外，PSoC同時(shí)具有片內(nèi)和片外系統(tǒng)時(shí)鐘源，可以不需要外部晶體振蕩器即可自行工作。
PSoC的以上特點(diǎn)，使其在小型系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)核心器件CY29666-24VXI
本系統(tǒng)采用PSoC芯片CY29666-24PVXI，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陀螺脈沖輸出的采集。芯片CY29666-24PVXI的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。它由4部分構(gòu)成：PSoC Core、數(shù)字系統(tǒng)(Digital System)、模擬系統(tǒng)(Analog System)和系統(tǒng)資源(System Resources)。其中，PSoC Core是PSoC器件的核心部分，包括M8C微處理器、SROM、32 K字節(jié)Flash、2 K字節(jié)SRAM、中斷控制器、可編程的多時(shí)鐘源、休眠計(jì)時(shí)器及看門狗等；數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)并存，是PSoC芯片的獨(dú)特之處。CY29666-24PVXI中有16個(gè)數(shù)字PSoC用戶模塊，如計(jì)數(shù)器功能模塊、定時(shí)器功能模塊、脈寬調(diào)制功能模塊等：12個(gè)模擬PSoC用戶模塊，如A／D、D／A、可編程增益放大器等；CY29666-24PVXI提供的系統(tǒng)資源包括：數(shù)字時(shí)鐘、乘法加法器、采樣
抽取器、主從及多主模式的I2C、上電復(fù)位(Power on Reset，POR)和低電壓檢測(cè)電路(Low Voltage Detect，LVD)、系統(tǒng)復(fù)位電路、內(nèi)部參考電壓等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及硬件模塊的配置
本系統(tǒng)的硬件部分包括信號(hào)預(yù)處理模塊、脈沖采集模塊及液晶顯示模塊，其總的框圖如下圖2所示。

3．1 信號(hào)預(yù)處理部分
脈沖信號(hào)是一種短暫、躍變的，達(dá)到一定躍變幅度的電信號(hào)。而對(duì)于輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)的光纖陀螺，為提高其輸出信號(hào)的抗干擾性，本系統(tǒng)在光纖陀螺與PSoC器件之間加了一個(gè)光電耦合器HCPL-2630，完成信號(hào)的預(yù)處理。
光電耦合器對(duì)輸入、輸出電信號(hào)起隔離作用，HCPL-2630一般由3部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。
由于光耦合器輸入輸出問(wèn)互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。